Software Technologies for Embedded and Ubiquitous Systems: 8th IFIP WG 10.2 International Workshop, SEUS 2010, Waidhofen/Ybbs, Austria, October 13-15, 2010, Proceedings

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Détermination de propriétés de flot de données pour améliorer les estimations de temps d'exécution pire-cas

La recherche d'une borne supérieure au temps d'exécution d'un programme est une partie essentielle du processus de vérification de systèmes temps-réel critiques. Les programmes de tels systèmes ont généralement des temps d'exécution variables et il est difficile, voire impossible, de prédire l'ensemble de ces temps possibles. Au lieu de cela, il est préférable de rechercher une approximation du temps d'exécution pire-cas ou Worst-Case Execution Time (WCET). Une propriété cruciale de cette approximation est qu'elle doit être sûre, c'est-à-dire qu'elle doit être garantie de majorer le WCET. Parce que nous cherchons à prouver que le système en question se termine en un temps raisonnable, une surapproximation est le seul type d'approximation acceptable. La garantie de cette propriété de sûreté ne saurait raisonnablement se faire sans analyse statique, un résultat se basant sur une série de tests ne pouvant être sûr sans un traitement exhaustif des cas d'exécution. De plus, en l'absence de certification du processus de compilation (et de transfert des propriétés vers le binaire), l'extraction de propriétés doit se faire directement sur le code binaire pour garantir leur fiabilité. Toutefois, cette approximation a un coût : un pessimisme - écart entre le WCET estimé et le WCET réel - important entraîne des surcoûts superflus de matériel pour que le système respecte les contraintes temporelles qui lui sont imposées. Il s'agit donc ensuite, tout en maintenant la garantie de sécurité de l'estimation du WCET, d'améliorer sa précision en réduisant cet écart de telle sorte qu'il soit suffisamment faible pour ne pas entraîner des coûts supplémentaires démesurés. Un des principaux facteurs de surestimation est la prise en compte de chemins d'exécution sémantiquement impossibles, dits infaisables, dans le calcul du WCET. Ceci est dû à l'analyse par énumération implicite des chemins ou Implicit Path Enumeration Technique (IPET) qui raisonne sur un surensemble des chemins d'exécution. Lorsque le chemin d'exécution pire-cas ou Worst-Case Execution Path (WCEP), correspondant au WCET estimé, porte sur un chemin infaisable, la précision de cette estimation est négativement affectée. Afin de parer à cette perte de précision, cette thèse propose une technique de détection de chemins infaisables, permettant l'amélioration de la précision des analyses statiques (dont celles pour le WCET) en les informant de l'infaisabilité de certains chemins du programme. Cette information est passée sous la forme de propriétés de flot de données formatées dans un langage d'annotation portable, FFX, permettant la communication des résultats de notre analyse de chemins infaisables vers d'autres analyses. Les méthodes présentées dans cette thèse sont inclues dans le framework OTAWA, développé au sein de l'équipe TRACES à l'IRIT. Elles usent elles-mêmes d'approximations pour représenter les états possibles de la machine en différents points du programme. Ce sont des abstractions maintenues au fil de l'analyse, et dont la validité est assurée par des outils de la théorie de l'interprétation abstraite. Ces abstractions permettent de représenter de manière efficace - mais sûre - les ensembles d'états pour une classe de chemins d'exécution jusqu'à un point du programme, et de détecter d'éventuels points du programme associés à un ensemble d'états possibles vide, traduisant un (ou plusieurs) chemin(s) infaisable(s). L'objectif de l'analyse développée, la détection de tels cas, est rendue possible par l'usage de solveurs SMT (Satisfiabilité Modulo des Théories). Ces solveurs permettent essentiellement de déterminer la satisfiabilité d'un ensemble de contraintes, déduites à partir des états abstraits construits. Lorsqu'un ensemble de contraintes, formé à partir d'une conjonction de prédicats, s'avère insatisfiable, aucune valuation des variables de la machine ne correspond à un cas d'exécution possible, et la famille de chemins associée est donc infaisable. L'efficacité de cette technique est soutenue par une série d'expérimentations sur divers suites de benchmarks, reconnues dans le domaine du WCET statique et/ou issues de cas réels de l'industrie. Des heuristiques sont configurées afin d'adoucir la complexité de l'analyse, en particulier pour les applications de plus grande taille. Les chemins infaisables détectés sont injectés sous la forme de contraintes de flot linéaires dans le système de Programmation Linéaire en Nombres Entiers ou Integer Linear Programming (ILP) pilotant le calcul final de l'analyse WCET d'OTAWA. Selon le programme analysé, cela peut résulter en une réduction du WCET estimé, et donc une amélioration de sa précision.The search for an upper bound of the execution time of a program is an essential part of the verification of real-time critical systems. The execution times of the programs of such systems generally vary a lot, and it is difficult, or impossible, to predict the range of the possible times. Instead, it is better to look for an approximation of the Worst-Case Execution Time (WCET). A crucial requirement of this estimate is that it must be safe, that is, it must be guaranteed above the real WCET. Because we are looking to prove that the system in question terminates reasonably quickly, an overapproximation is the only acceptable form of approximation. The guarantee of such a safety property could not sensibly be done without static analysis, as a result based on a battery of tests could not be safe without an exhaustive handling of test cases. Furthermore, in the absence of a certified compiler (and tech- nique for the safe transfer of properties to the binaries), the extraction of properties must be done directly on binary code to warrant their soundness. However, this approximation comes with a cost : an important pessimism, the gap between the estimated WCET and the real WCET, would lead to superfluous extra costs in hardware in order for the system to respect the imposed timing requirements. It is therefore important to improve the precision of the WCET by reducing this gap, while maintaining the safety property, as such that it is low enough to not lead to immoderate costs. A major cause of overestimation is the inclusion of semantically impossible paths, said infeasible paths, in the WCET computation. This is due to the use of the Implicit Path Enumeration Technique (IPET), which works on an superset of the possible execution paths. When the Worst-Case Execution Path (WCEP), corresponding to the estimated WCET, is infeasible, the precision of that estimation is negatively affected. In order to deal with this loss of precision, this thesis proposes an infeasible paths detection technique, enabling the improvement of the precision of static analyses (namely for WCET estimation) by notifying them of the infeasibility of some paths of the program. This information is then passed as data flow properties, formatted in the FFX portable annotation language, and allowing the communication of the results of our infeasible path analysis to other analyses. The methods hereafter presented are included in the OTAWA framework, developed in TRACES team at the IRIT lab. They themselves make use of approximations in order to represent the possible states of the machine in various program points. These approximations are abstractions maintained throughout the analysis, and which validity is ensured by abstract interpretation tools. They enable us to represent the set of states for a family of execution paths up to a given program point in an efficient - yet safe - way, and to detect the potential program points associated to an empty set of possible states, signalling one (or several) infeasible path(s). As the end goal of the developed analysis, the detection of such cases is made possible by the use of Satisfiability Modulo Theory (SMT) solvers. Those solvers are notably able to determine the satisfiability of a set of contraints, which we deduct from the abstract states. If a set of constraints, derived from a conjonction of predicates, is unsatisfiable, then there exists no valuation of the machine variables that match a possible execution case, and thus the associated infeasible paths are infeasible. The efficiency of this technique is asserted by a series of experiments on various benchmarks suites, some of which widely recognized in the domain of static WCET, some others derived from actual industrial applications. Heuristics are set up in order to soften the complexity of the analysis, especially for the larger applications. The detected infeasible paths are injected as Integer Linear Programming (ILP) linear data flow constraints in the final computation for the WCET estimation in OTAWA. Depending on the analysed program, this can result in a reduction of the estimated WCET, thereby improving its precision

Conception et vérification d'exigences de sûreté temporisées à base de contrats dans les modèles SysML

De nos jours, les systèmes informatiques croissent en taille et en complexité. Intégrés dans des dispositifs de différents domaines tels que l'avionique, l'aéronautique, l'électronique grand public, etc., ils sont souvent considérés comme critiques à l'égard de la vie humaine, des coûts et de l'environnement. Concevoir des systèmes embarqués temps-réel critiques sûrs et fiables est une tâche difficile, étant donné que leurs modèles sont souvent source d'erreurs. Une façon pour les concepteurs de contourner cette difficulté consiste à s'appuyer sur la modélisation compositionnelle de composants logiciels pilotée par les exigences. Le raisonnement à base de contrats permet de construire des composants sûrs à partir des exigences globales du système en interposant des spécifications abstraites et partielles entre les besoins du système et les composants eux-mêmes. Informellement, un contrat modélise le comportement abstrait d'un composant du point de vue de l'exigence à satisfaire (c.a.d garantie) dans un contexte donné (c.a.d. hypothèse). Les contrats peuvent être exploités pour décomposer et tracer les exigences au cours d'un développement itératif, mais aussi pour effectuer une vérification compositionnelle de la satisfaction des exigences. Dans cette thèse, nous présentons une méthodologie de raisonnement à base de contrats pour la conception et la vérification de systèmes sûrs développés en SysML. Ainsi, nous définissons en UML/SysML la syntaxe des contrats et des relations de raffinement entre contrats et/ou composants qui sont utilisées pour prouver la correction du système par rapport aux exigences. Ensuite, nous proposons un cadre formel qui modélise la sémantique d'un modèle UML/SysML étendu par des contrats selon une variante d'automates temporisés entrée/sortie et nous définissons la correspondance entre ces concepts. Nous formalisons les relations de raffinement par la relation d'inclusion de traces et nous prouvons leurs propriétés compositionnelles ce qui assure la correction de la méthodologie. L'approche est instanciée pour le profil OMEGA et la boîte à outils IFx2 qui génère partiellement les obligations de preuve. Finalement, plusieurs études de cas dont une issue de l'industrie complètent la théorie pour évaluer l'approche à base de contrats et ses résultats et les comparer aux méthodes classiques de model-checking.Nowadays computer systems grow larger in size and more complex. Embedded in devices from different domains like avionics, aeronautics, consumer electronics, etc., they are often considered critical with respect to human life, costs and environment. A development that results in safe and reliable critical real-time embedded systems is a challenging task, considering that errors are accidentally inserted in the design. A way for system designers to tackle this issue is to use a compositional design technique based on components and driven by requirements: it allows to infer from global requirements, component properties that must locally hold. Contract-based reasoning allows to compositionally derive correct components from global system requirements by interposing abstract and partial specifications for components. Informally, a contract models the abstract behavior a component exhibits from the point of view of the requirement to be satisfied (i.e. guarantee) in a given context (i.e. assumption). Contracts can be used to decompose and trace requirements during iterative design, but also to perform compositional verification of requirement satisfaction. In this thesis, we present a methodology for reasoning with contracts during system design and verification within SysML. Thus, we define the syntax for contracts in UML/SysML, as well as a set of refinement relations between contracts and/or components in order to prove the system's correctness with respect to requirements. Next, we provide a formal framework that models the semantics of a UML/SysML model extended with contracts as a mapping of the language concepts to a variant of Timed Input/Output Automata. The refinement relations are formalized based on the trace inclusion relation and compositional properties are proved to hold which ensures the soundness of the methodology. The approach is instantiated for the OMEGA Profile and IFx2 toolset with partial automatic generation of proof obligations. Finally, the approach is applied on several case studies, including an industry-grade system model, which show its efficiency by comparative verification results

Design and implementation of WCET analyses : including a case study on multi-core processors with shared buses

For safety-critical real-time embedded systems, the worst-case execution time (WCET) analysis — determining an upper bound on the possible execution times of a program — is an important part of the system verification. Multi-core processors share resources (e.g. buses and caches) between multiple processor cores and, thus, complicate the WCET analysis as the execution times of a program executed on one processor core significantly depend on the programs executed in parallel on the concurrent cores. We refer to this phenomenon as shared-resource interference. This thesis proposes a novel way of modeling shared-resource interference during WCET analysis. It enables an efficient analysis — as it only considers one processor core at a time — and it is sound for hardware platforms exhibiting timing anomalies. Moreover, this thesis demonstrates how to realize a timing-compositional verification on top of the proposed modeling scheme. In this way, this thesis closes the gap between modern hardware platforms, which exhibit timing anomalies, and existing schedulability analyses, which rely on timing compositionality. In addition, this thesis proposes a novel method for calculating an upper bound on the amount of interference that a given processor core can generate in any time interval of at most a given length. Our experiments demonstrate that the novel method is more precise than existing methods.Die Analyse der maximalen Ausführungszeit (Worst-Case-Execution-Time-Analyse, WCET-Analyse) ist für eingebettete Echtzeit-Computer-Systeme in sicherheitskritischen Anwendungsbereichen unerlässlich. Mehrkernprozessoren erschweren die WCET-Analyse, da einige ihrer Hardware-Komponenten von mehreren Prozessorkernen gemeinsam genutzt werden und die Ausführungszeit eines Programmes somit vom Verhalten mehrerer Kerne abhängt. Wir bezeichnen dies als Interferenz durch gemeinsam genutzte Komponenten. Die vorliegende Arbeit schlägt eine neuartige Modellierung dieser Interferenz während der WCET-Analyse vor. Der vorgestellte Ansatz ist effizient und führt auch für Computer-Systeme mit Zeitanomalien zu korrekten Ergebnissen. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie ein zeitkompositionales Verfahren auf Basis der vorgestellten Modellierung umgesetzt werden kann. Auf diese Weise schließt diese Arbeit die Lücke zwischen modernen Mikroarchitekturen, die Zeitanomalien aufweisen, und den existierenden Planbarkeitsanalysen, die sich alle auf die Kompositionalität des Zeitverhaltens verlassen. Außerdem stellt die vorliegende Arbeit ein neues Verfahren zur Berechnung einer oberen Schranke der Menge an Interferenz vor, die ein bestimmter Prozessorkern in einem beliebigen Zeitintervall einer gegebenen Länge höchstens erzeugen kann. Unsere Experimente zeigen, dass das vorgestellte Berechnungsverfahren präziser ist als die existierenden Verfahren.Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) as part of the Transregional Collaborative Research Centre SFB/TR 14 (AVACS